盧秉恒院士：3D打印與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

[西安設(shè)計(jì)大講堂秉承“與設(shè)計(jì)對(duì)話、謀共同發(fā)展”的宗旨，堅(jiān)持高端、深度、前瞻、互補(bǔ)的特色，充分挖掘、融合科技優(yōu)勢(shì)、文化優(yōu)勢(shì)、人才優(yōu)勢(shì)。以創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能制造為抓手，傳播文化理念，提升絲路沿線地區(qū)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)水平，推動(dòng)國(guó)際交流與合作，為絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的建設(shè)作出卓越貢獻(xiàn)。3月30日，西安設(shè)計(jì)聯(lián)合會(huì)邀請(qǐng)絲綢之路創(chuàng)新設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長(zhǎng)盧秉恒院士，作了題為“3D打印與創(chuàng)新設(shè)計(jì)”的報(bào)告，全文如下。

絲綢之路創(chuàng)新設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長(zhǎng)盧秉恒院士

（廣東省增材制造協(xié)會(huì)名譽(yù)會(huì)長(zhǎng)）

3D打印是增材制造的主流制造技術(shù)。從制造技術(shù)的分類來(lái)說(shuō)，有增材制造、減材制造和等材制造，3D打印屬于增材制造，是一種把材料累加起來(lái)的制造方式。這項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)為制造技術(shù)行業(yè)帶來(lái)一個(gè)全新的局面。據(jù)麥肯錫的分析報(bào)告，在2013年認(rèn)為3D打印技術(shù)是影響我們生活和生產(chǎn)組織形態(tài)的頂尖技術(shù)之一，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到萬(wàn)億美元的規(guī)模。

3D打印分為幾種不同類型：
一、激光固化法，通過(guò)自外激光的照射變成固體然后累加起來(lái)；
二、用粉末、塑料粉末、金屬粉末甚至包括沙子一層一層粘接合成；
三、融化輔料絲，然后堆積起來(lái)；
四、使用金屬粉末，通過(guò)噴射的方式堆積起來(lái)，在數(shù)字的控制下將其變成我們所需要的形狀。

3D打印技術(shù)為傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)巨大的變化，大大簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)制造工序，將產(chǎn)品零部件數(shù)量簡(jiǎn)化，像汽車這樣由上萬(wàn)個(gè)零件構(gòu)成的產(chǎn)品能夠簡(jiǎn)化成由幾個(gè)零件組成。目前飛機(jī)、航天的發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)開(kāi)始著手3D打印制造零件。并且，3D打印可以使產(chǎn)品輕量化，賦予裝備獲得更高的效率。

3D打印是一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)工藝。在以往的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)，單一件的定制是十分復(fù)雜的過(guò)程。而且由于量少，少有企業(yè)愿意承接制模過(guò)程，而3D打印正是能滿足這項(xiàng)制造需求。因此，在航空航天汽車醫(yī)療及電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)中，3D打印都發(fā)揮了十分重要的作用。隨著消費(fèi)水平提高，大家都希望獲得個(gè)性化的產(chǎn)品，大規(guī)模的定制或者個(gè)性化定制逐漸成為產(chǎn)品制造里面的主要模式，然而3D打印正是最適合的技術(shù)。對(duì)于非常復(fù)雜的零件、原來(lái)不敢制造的甚至不敢設(shè)計(jì)的產(chǎn)品都可以制作出成品，為產(chǎn)品和裝備的提供了非常大的創(chuàng)新設(shè)計(jì)空間。

在科研方面，制作材料逐漸從一種材料的累加，變成多種材料可復(fù)合型，這樣可以把零件的表面做成耐磨的、耐腐蝕的、高強(qiáng)度的，內(nèi)部可以做成中空，各個(gè)階段都能使材料發(fā)揮最大的作用性能。

增材還可以走向創(chuàng)材，即是創(chuàng)造材料。目前機(jī)械加工所用到冶煉廠提供的材料，如果使用3D打印技術(shù)可以在粉床上將幾種元素合成一種新的合金。從創(chuàng)材走上創(chuàng)生，即是生命的創(chuàng)造。3D打印可以制造降解材料的人體器官，植入人體以后在生化環(huán)境下降解，降解以后變成自己的細(xì)胞，通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)可以做出骨頭、心臟、肝臟。所以說(shuō)3D打印為科研提供了好的制造工具。

3D打印正處于從3D走向4D、5D的發(fā)展趨勢(shì)，打印時(shí)使用智能材料，打印完成后改變溫度或者加上磁場(chǎng)等其他作用，可以改變使最后的成品形態(tài)與打印初始形態(tài)不同，這是個(gè)十分奇妙的過(guò)程。在一個(gè)密閉空間，預(yù)留出很小的口，打印一個(gè)可以放進(jìn)去的材料，隨后改變環(huán)境的溫度改變，使其變成需要的形狀。5D打印即是如此，不僅能改變其形狀，還可以改變其功能，使其從沒(méi)有生命變成有生命的個(gè)體。

現(xiàn)階段我們正在進(jìn)行細(xì)胞打印的研究，在一個(gè)虛構(gòu)的空間，用3D打印的方式將細(xì)胞堆積起來(lái)，放上不同的生化的環(huán)境，加上干細(xì)胞可以誘導(dǎo)出不同的組織、肌肉神經(jīng)血管。3D打印，從原來(lái)快速原型，到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，到現(xiàn)在的批量制造，給傳統(tǒng)生產(chǎn)模式帶來(lái)了一個(gè)顛覆性的變化；其材料從最早期的樹(shù)脂到塑料、金屬材料一直研究到復(fù)合材料或者生物的活性材料。從整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展上縱觀，最初大家做3D打印的裝備，后來(lái)延伸到在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用，最后走向尖端科技�？梢詴诚胛磥�(lái)到太空上，用太空的材料在月球上建房屋，或者用很珍貴的、地球上很少的材料，做太空飛船的零件。3D打印正在從高大上的科技線走向企業(yè)，各個(gè)行業(yè)都在促進(jìn)這個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3D打印引領(lǐng)全民創(chuàng)客趨勢(shì)，在未來(lái)我們都可以使用它來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。我們的創(chuàng)新不再受體制的約束，僅需一臺(tái)3D打印機(jī)便可以自己在家打印原型和一些功能零件，可把創(chuàng)新各類設(shè)計(jì)并打印出產(chǎn)品模型，便于投資商進(jìn)行項(xiàng)目可行性評(píng)估，全民創(chuàng)客時(shí)代就這樣到來(lái)。要構(gòu)建全新性社會(huì)，就必須破除傳統(tǒng)體制，發(fā)揮社會(huì)成員的積極性。技術(shù)的創(chuàng)新在很多方面都促進(jìn)了社會(huì)的創(chuàng)新。3D打印機(jī)的普遍，使得全民能夠在家里進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，改變工作模式了，促進(jìn)全民參與社會(huì)生產(chǎn)。

3D打印在中國(guó)的發(fā)展非常迅速，從2016年開(kāi)始，3D打印的專利技術(shù)方面已經(jīng)走向全世界第二，在2017年發(fā)展到全世界第一。目前在3D打印行業(yè)，中國(guó)相對(duì)于全球的比重率由25%逐漸走向50%，2018年設(shè)備裝機(jī)數(shù)量排名從世界第四上升到第三的位置。中國(guó)在高端醫(yī)療、航空航天突破性的成果處于國(guó)際領(lǐng)先地位。2000年起，西安交大與第四軍醫(yī)大學(xué)、交大附二院合作科研并取得優(yōu)異成果。在大家都在對(duì)3D打印產(chǎn)品結(jié)實(shí)度能否適合航天的需求抱懷疑的時(shí)候，汪院士做的世界上首例3D打印的飛機(jī)起落架已經(jīng)接受了考驗(yàn)。在科研、裝備的產(chǎn)業(yè)化方面，無(wú)論是金屬的、非金屬的3D打印機(jī)，我們都掌握有非常好的技術(shù)，西安一直處于領(lǐng)先的地位。于是，在西安成立了中國(guó)增材制造創(chuàng)新中心。目前一些裝備的研發(fā)都是由自主的軟件開(kāi)發(fā)，但一些關(guān)鍵的光學(xué)器械或者激光器還是較多依靠進(jìn)口，導(dǎo)致目前我國(guó)處于3D打印原創(chuàng)技術(shù)較少的狀態(tài)，但是我們相信經(jīng)過(guò)不斷的努力，一定會(huì)走向世界領(lǐng)先的地位。

使用3D打印技術(shù)制作產(chǎn)品模型可以大大減少成本，可以避免計(jì)算機(jī)的仿真模型與實(shí)際模型有區(qū)別的風(fēng)險(xiǎn)。我們研發(fā)了一套快速模具制造的技術(shù)，傳統(tǒng)模具制造十分復(fù)雜，耗資大且耗時(shí)長(zhǎng)，使用3D打印技術(shù)制作原型外觀，在收到大眾對(duì)造型認(rèn)可后裝上發(fā)動(dòng)機(jī)便可以使用，這個(gè)時(shí)候我們?cè)偈褂靡恍┖?jiǎn)單快速的模具，來(lái)加工真正的模具。對(duì)于不同的批量，我們采用不同的制造方法，比如幾十件的可以使用硅橡膠復(fù)制模具，如果是大批量可以把原型用3D打印拷貝一個(gè)加工的電機(jī)，這樣形成一個(gè)產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)。

3D打印應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，比如摩托車外形的開(kāi)發(fā)、動(dòng)力機(jī)械整體葉輪的設(shè)計(jì)、戒指的開(kāi)發(fā)、醫(yī)療的修補(bǔ)、零件的精密制造等。

在一項(xiàng)飛機(jī)風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)中，3D打印制作的零件優(yōu)過(guò)傳統(tǒng)手工制造，對(duì)于傳感器不方便裝置、飛機(jī)重量的配重不方便確定等問(wèn)題，3D打印全部可以實(shí)現(xiàn)。尤其是在汽車工業(yè)方面，相較于傳統(tǒng)使用手工、油泥刮出制作模型評(píng)估，使用3D打印制作原型更利于對(duì)汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，修改數(shù)字模型即可進(jìn)行重新評(píng)估。

對(duì)于小批量、個(gè)性化車制造，電動(dòng)汽車制造行業(yè)，大多數(shù)仍借用燃油汽車外殼，而沒(méi)有一輛真正為電動(dòng)車設(shè)計(jì)的車身外殼，正是由于在車身開(kāi)發(fā)投入太多，現(xiàn)在電動(dòng)汽車并沒(méi)有完全被大眾消費(fèi)群體接受，仍處于考驗(yàn)階段。國(guó)外已將3D打印應(yīng)用到方面開(kāi)發(fā)汽車的車型，很快速便可以將非常先進(jìn)的車型做出來(lái)，這樣可以加速產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，各種各樣的創(chuàng)新設(shè)計(jì)都可以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)還可以做到輕量化，將很多零部件做成一體化。復(fù)合材料的設(shè)計(jì)，在汽車上的用途越來(lái)越廣，非常符合電動(dòng)汽車的需求，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程是很重要的因素，車身輕了以后自然續(xù)航里程上升了�？梢允褂美w維或者玻璃纖維這類復(fù)合材料來(lái)制作車身，這些都是可以通過(guò)3D打印技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。并且還可以拓展到汽車零件方面。目前我們已經(jīng)涉及汽車大型模具的制造方面，并且做了專門(mén)的噴涂模具設(shè)備以及一款汽車的完整外殼。

3D打印為制造業(yè)帶來(lái)顛覆性的變革，對(duì)于航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用，使材料利用率由5%提升到85%，并且可以把制造周期由數(shù)月壓縮到幾天。盡管如此，3D打印技術(shù)制造出的零件的精度、強(qiáng)度、有沒(méi)有被破壞的方面仍有許多問(wèn)題，這是一個(gè)全新的理論，我們?nèi)匀惶幱谘芯侩A段。

3D打印帶來(lái)全新的生產(chǎn)模式變革，大家可以在家里進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)產(chǎn)品擺上互聯(lián)網(wǎng)尋求投資方，這可能成為以后一個(gè)很重要的創(chuàng)新社會(huì)生產(chǎn)方式。美國(guó)GE公司曾在網(wǎng)上發(fā)布過(guò)一個(gè)使用3D打印實(shí)驗(yàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)征集。最后在征集到700個(gè)方案，由專家挑選了十件優(yōu)秀方案。其中，第一名是一個(gè)19歲的青年設(shè)計(jì)師，他僅用了六分之一的重量、六分之一的價(jià)格，完成了這個(gè)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，并且剛度、強(qiáng)度全部合格。民間蘊(yùn)藏了很大的創(chuàng)新的能力和積極性，在原來(lái)的生產(chǎn)組織下得不到發(fā)揮。在以后的飛機(jī)制造上，改一個(gè)零件，不需要一些層層批準(zhǔn)、層層論證，直接做出來(lái)一件模型測(cè)試便能驗(yàn)證。

GE公司用3D打印來(lái)制作一個(gè)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油嘴，燃油效率提高15%。他們?cè)�使�?D打印制作一款發(fā)動(dòng)機(jī)，訂單增加了400多億美金。因此GE公司決定大舉進(jìn)攻3D打印，目前已收購(gòu)了兩三家世界上很強(qiáng)的3D打印公司，并決定自主研發(fā)設(shè)備，改造它的生產(chǎn)線，預(yù)測(cè)到2030年要將一萬(wàn)臺(tái)的3D打印機(jī)投入到飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)。

我國(guó)的3D打印目前處于技術(shù)發(fā)展的井噴期，既是起步期、也是企業(yè)的跑馬圈地時(shí)期。目前亞馬遜也介入3D打印行業(yè)，在網(wǎng)上組織3D打印的資源，提供服務(wù)，每年接到幾十億美金的訂單。我國(guó)政府非常支持創(chuàng)新，經(jīng)工信部論證，決定西安高新區(qū)成立國(guó)家3D打印的創(chuàng)新中心，并得到高新區(qū)領(lǐng)導(dǎo)的大力支持。創(chuàng)新中心聯(lián)合全國(guó)13家企業(yè)，清華、北航、華中、西工大、西交大5所大學(xué)，由20多位國(guó)內(nèi)外的專家組成專家委員會(huì)，其中國(guó)外的專家占到將近一半。

目前我們正在進(jìn)行的研發(fā)方向，一個(gè)是針對(duì)于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，一個(gè)是亮劍工程，在有了3D打印技術(shù)的支持之后，使得飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)有創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，包括葉輪盤(pán)、渦輪盤(pán)的高效設(shè)計(jì)等省了很多復(fù)雜的工序。暢想以后，到太空中去進(jìn)行3D打印制造，在太空中制造地球上需要的零件。盡管太空打印有很多困難，但其能源是取之不盡，有眾多優(yōu)勢(shì)。比如，無(wú)氣壓影響生產(chǎn)效率可以提高，并且環(huán)境溫度高可生產(chǎn)耐高溫物件。

在汽車生產(chǎn)方面，與吉利研究院聯(lián)合研發(fā)“萬(wàn)輛汽車工程”。利用大數(shù)據(jù)優(yōu)化工藝，并且使用大設(shè)備支撐，將全國(guó)3D打印的資源連在一起，為全國(guó)的制造業(yè)做服務(wù)。我們相信在大家的努力下，能在十年內(nèi)將中國(guó)的3D打印做到世界第二；五年內(nèi)做到裝機(jī)量第二、十年內(nèi)希望裝機(jī)量第一；銷售走在第二。到2035年之前實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造2025。

為了把創(chuàng)新設(shè)計(jì)的成果孵化，吸引更多的3D打印的產(chǎn)業(yè)到西安聚集，我們將在西安高新區(qū)打造一個(gè)3D打印的小鎮(zhèn)，形成一個(gè)產(chǎn)業(yè)的聚集區(qū)。致力于實(shí)現(xiàn)一個(gè)技術(shù)的供應(yīng)鏈，來(lái)培育3D打印的主力軍。王永康書(shū)記希望3D打印成為西安硬科技的八路軍之一。在占地1600多畝3D打印小鎮(zhèn)的規(guī)劃里面，擬投資150個(gè)億，引進(jìn)十幾家核心企業(yè)，希望抓住國(guó)家創(chuàng)新的大好機(jī)遇來(lái)做好這項(xiàng)工作。

在技術(shù)方面仍有待推廣，比如金屬電壺噴涂的技術(shù)，斥資100多萬(wàn)耗時(shí)100天的時(shí)間做了一整套的汽車復(fù)合件的模具。將3D打印用于創(chuàng)新設(shè)計(jì)，我們做了大量工作。目前我們還在研究用很輕的材料做建筑的打印，因?yàn)樵诮ㄖ�方面有些地方是需要有承載性能的。住建部提倡裝配式的建筑，3D打印可以做曲面的造型的、帶雕塑的、帶浮雕的，都很容易。如果把每一層的建筑重量降下來(lái)，可以減少投資，還可以給建筑師做具有創(chuàng)意的模型。

在金屬創(chuàng)新方面，使用金屬打印頭做光內(nèi)送粉部件，便可以打印封閉的球 。粉末在外層，內(nèi)層是光線，然后升級(jí)到光纖在外層，粉末在內(nèi)層，這樣制作出來(lái)的零件就會(huì)十分精細(xì)。

在3d打印特色小鎮(zhèn)的設(shè)計(jì)上，邀請(qǐng)各位絲綢之路創(chuàng)新設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和西安設(shè)計(jì)聯(lián)合會(huì)的專家，為我們做一些優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，完成國(guó)家交給我們的使命。3D打印小鎮(zhèn)位于高新區(qū)的核心位置，這里將是產(chǎn)業(yè)的聚集區(qū)。在未來(lái)，我們可以使用3D打印來(lái)去做文物的復(fù)制，希望在3D打印小鎮(zhèn)建立一個(gè)3D打印的博物館，主要用于展示西安當(dāng)?shù)氐囊恍┪幕�資源、歷史資源、文物，我們也希望將全國(guó)各地的文物展示，例如莫高窟等。

來(lái)源：廣東省增材制造協(xié)會(huì)